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플라즈마 정의

QAS 중고기계 한공산업기계

2008-03-18 오후 8:28:58

4003

플라즈마 정의 :

전기 에너지를 갖는 특별한 형태의 가스
즉 개스가 이온화된상태.

이 에너지는 반응을 촉진 플라즈마내의 이온을 가속.
플라즈마 용도는 매우 다양하다.

플라즈마와 닿는 매질표면 etching 과 depostion 혹은
implantation 에서부터 아크 플라즈마를 사용한 아크 커터기등이 있다
그 외의 사용도는 너무 넓고 다양하다.

좀더 자세한 플라즈마의 정의를 공부해보자.
플라즈마란 제 4의 상태의 물질을 말한다.

왜냐면 보통 물질은 3가지 물질상태이다.
우리가 잘알고 있는 고체, 액체, 기체 이다.

이들 상태는 각각의 구성 분자들의 결합력,운동성에 따라 형성된다.

고체<액체<기체 이런 순서로 운동성이 좋고또 반대로 결합력은 고체가 제일 강하고 액체 기체순일것이다.

이와 달리 플라즈마는 제4의 물질상태이다.왜를 4를 붙였을까?

그것은 앞서 3가지 물질상태와는 다르기때문이다.

따라서 물질상태 분류에서 다음과 같이 생각할수 있겠다.

고체,액체,기체,플라즈마플라즈마는 전기적으로 준 중성상태를 유지하고 있다.그럼 이 플라즈마 내부를 들여다 볼까요 이 플라즈마 내부엔 다수의 전자(-) 와 이온 (+)들의 집합 장소인것이다.

이들은 가장 중요한 특성으로 집단운동(collective behavior)를 가지면서움직이고 있다.간단하게 생각하면 플라즈마는 이온화된 하전입자 상태인것이다.

이 플라즈마엔 음전자와 양이온 이 모인상태인것이다.그럼 이온화가 뭔지 알아야 할것인데..이온화는 어떻게 만들어질까?이온화는 최외각 전자가 떨어져나갈때 발생되는데,자유전자궤도가 먼 준위까지 가 있는것이다.

이때는 이온 전자뿐만아니라..중성자입자들이 존재한다.즉..플라즈마는 엄밀히 말해 전자,이온,중성자입자들을 다 가지고 있다.플라즈마는 분자 혹은 원자들의 이온화 과정이라고 생각하면 이해가 쉽다.

플라즈마발생에 있어서 Ar가스가 필요하다.이것은 다음에 계속 설명이 된다.가스입자와 물질이 충돌하게되면 즉 이것을 physical contact로 인해 최외각전자,자유전자가 이탈된다.즉 떨어져 나가게 된다.

그리고 양전하 이온과 분리가 되는데..이들이 다수모여 앞서 말한 집단활동을 한다.그래서 전기적으로는 중성을 띠게되며..즉 이온드르이수와 전자의 수가 같다는말이다.+와 -가 거의 같은 갯수가 있다고 생각하면 편할것이다.

그래서 거의 중성 상태라서 준 중성상태라고 불렀던것이다.여기서 우리는 플라즈마를 만들기 위해 가장필요한 물리적 현상이 뭘까하고생각해볼필요가 있지 않을까?전자가 에너지를 얻도록 해야하며 그것이 가스입자와 충돌하도록 해야한다는것이다.그렇다면 전자는 어떻게 에너지를 얻을수 있을까?

답은 바로 전기장이다. 전기장을 걸어주는것이다.여기서 우리는 로렌츠 식을 알아야 하는데 수치적인것은 꼭 알아둘 필요가 있다.

여기서는 간략하게 원리들을 살펴보기만 한다.하지만 로렌츠식은 전자기학 또는 물리학책을 보고서 꼭 알아야 한다.F=q(E + V X B)이다. 로렌츠식이다 여기서는 전기장과 자기장에대한 기본적 정보가 많이 숨어 있기에 중요하다.

자..본론으로 들어가서..정리된 설명을 계속하겠다.전기장을 통해 이온화가 되고 다수가 군집활동하면서 준중성상태가된다.여기서 고려할것은 전자와 이온은 질량차이가 크다는것이다.이온이 전자보다 더 질량이 크다.또한 그만큼 이온은 운동이 어렵다.또 그래서 이온은 속도크기도 작다.

반면 전자는 에너지를 쉽게 받는다.전자는 빨리 돌며 반경은 작다.이온은 늦게 돌며 반경이 크다.그래서 플라즈마를 만드는데 있어서 전자가 선행적으로 움직이고이온은 궁극적으로 움직여서 역할을한다.플라즈마 생성시 충돌이란 의미는 아주중요한데..이 충돌은 개스압력과 전자에너지에 비례한다.

그래서 플라즈마의 운전조건에는 중요한 2가지가 있는데..위의 설명에 따라서 PRESSURE 와 ELECTRIC POWER인것이다. 플라즈마내 충돌원리는 다음과 같다.탄성충돌과 비탄성충돌로 나뉘게 된다.탄성충돌은 공간의 이동을 가능하게 한다.비탄성은 전자여기등을 발생시킨다.

충돌에너지에따라 전자흡착,여기,이온화등이 일어나게 된다.여기서 맥스웰 분포 (MAXWELL DISTRIBUTION)이 중요한데이것은 공간내 전자의 에너지에 따른 분포는 충돌현상을 이해하는데 꼭 필요하다.이번은 플라즈마 생성에 관한것이다.앞에서 말한것을 꼭 염두에 두고 생각해야 한다.

벽에서 방출되는 전자나 공간내의 자유전자들이 전기장에 의해 가속되고공간내의 개스입자와 충돌. 이것은 이온화 반응을 일으키고플라즈마를 생성하게 되는데, 이것이 소멸할경우는 다음과 같다.플라즈마내 하전입자들은 전자의 경우 양극판으로이오느이 경우는 음극판으로 흘러나가 손실되거나 벽을 구성하는 입자와 충돌RECOMBINATION이 된다.이러한 과정을 반복시 소멸하게 된다.플라즈마의 생성적인 측면에서는 3가지 지역이 있게 된다.

1)DARK DISCHARGE2)GLOW DISCHARGE3)ARC DISCHARGE이것은 설명을 위해 그림이 필요한데 다음과 같다.여기선 간단히 설명만 하겠다.1)DARK DISCHARGE는 플라즈마의 시작단계이다.그래서 플라즈마의 특유 빛이 안 나오는 것이다.그 이유는 간단히 말하자면 공간이 BULK 하기에 아직 공간내에 다 영향을 받지 못했기 때문이다.그래서 이곳에는 BACKGROUND IONAZATION 과 SATURATION REGIME가 있다.

2)GLOW DISCHARGE는 이온화된 전자수와 벽(WALL OF CHAMBER)의 반사된전자수가 많아져서 2차전자의 방출계수가 많아져서 이온도 전자도 많아졌기때문에한마디로 활성화 되어 플라즈마가 발생한곳이다.그래서 전압을 더 많이 올리지 않아도 WALL에서 내부지역으로 들어가는 녀석들이 많아서 CURRENT가 증가한다.(더 자세한 설명엔 그림이 필요하다)우리는 대부분 이지역을 이용한다.

3)ARC DISCHARGE는 시작은 플라즈마가 계속적 발생으로인해WALL근처에 막처럼 둘러싸고 여기서 HEAT UP이 발생하기때문이다.
그래서 열을 발생하고 이에따라 열전자 방출되고 이것은 이온화에 더욱더 많이 가담한다. 열전자가 여기서 상당히 중요하다.그래서 플라즈마의 밀도가 상당이 앞서보다 40배증가하게 된다.이것은 개스의 온도도 높히게 되고 이온의 온도도 상당히 증가시킨다.

그것은 그만큼 충돌에 가담하는 수가 증가했기때문이다.그래서 이 영역에서는 전자와 중성입자,전자와 이온의 충돌이 아주 많고온도가 상당히 (3000~5000도) 까지 급격히 올라간다.이번엔 여러가지 간단한 설명을 하겠다.

DC PLASMA :DC전원 사용RF PLASMA :교류를 사용하여 오실레이션을 함으로써 플라즈마를 유지시킨다.DC MAGNETRON PLASMA: 자기장을 걸어서 그 에따른 DISTRIBUTION을 사용SHEATH영역: 이것은 거의 표면영역에서 일어나는것입니다.1)2차전자방출(SECINDARY ELECTRON EMISSION)-이온은 쉬스 포텐셜로부터 에너지를 받게되어 가속이되고 전극표면과 충돌전극표면 물질의 일함수(WORK FUNCTION)보다 큰 에너지를 얻으면 표면에서2차전자 방출중고기계

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